Дмитриев, Евгений Владимирович. Разработка методов и средств мониторинга оптических волокон кабельных линий связи на основе поляризационной рефлектометрии

brief description

Дмитриев, Евгений Владимирович. Разработка методов и средств мониторинга оптических волокон кабельных линий связи на основе поляризационной рефлектометрии : диссертация ... кандидата технических наук : 05.12.13 / Дмитриев Евгений Владимирович; [Место защиты: Поволж. гос. акад. телекоммуникаций и информатики].- Самара, 2013.- 137 с.: ил. РГБ ОД, 61 14-5/806

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО
ОБРАЗОВАНИЯ «ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ И ИНФОРМАТИКИ»
04201454412
Дмитриев Евгений Владимирович
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ МОНИТОРИНГА
ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ СВЯЗИ НА
ОСНОВЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ
Специальность 05.12ЛЗ -
Системы, сети и устройства телекоммуникаций
диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель
доктор технических наук, профессор
Бурдин Владимир Александрович
Самара — 2013 
ОГЛАВЛЕНИЕ
Таблица используемых сокращений 5
Введение 7
Глава 1. Разработка метода выявления и локализации дефектов в
оболочке световода оптического волокна 20
1.1. Методы выявления новых событий в процессе
мониторинга оптических волокон 20
1.2. Описание предлагаемого метода определения места
повреждения ОВ 25
1.3. Экспериментальная апробация метода 30
1.4. Выводы 38
Глава 2. Моделирование поляризационных характеристик обратного рассеяния с локальными событиями и воздействиями 41
2.1. Общие положения 41
2.2. Модель поляризационной характеристики обратного
рассеяния ОВ 42
2.3. Модели отдельных событий на ВОЛП 44
2.4. Модель микротрещины 49
2.4.1. Двулучепреломление стандартного ступенчатого оптического волокна с микротрещиной
в оболочке световода 49
2.4.2. Модель микротрещины на поверхности
оболочки световода 50
2.4.3. Расчет оценок двулучепреломления,
обусловленного асимметрией распределения механических напряжений в сечении световода 54
з
2.4.4. Оценка составляющей двулучепреломления,
обусловленной действием механических напряжений 57
2.4.5. Расчет двулучепреломления и длины биений
ступенчатого ОВ в зависимости от размера микротрещины 59
2.5. Модель кусочно-регулярной модели ВОЛЛ
с локальными событиями 62
2.6. Исследование возможности применения вращения
поляризации для локализации новых событий 69
2.7. Исследование возможности локализации
последовательности событий 73
2.8. Выводы 73
Глава 3. Экспериментальные исследования на физических
моделях 77
3.1. Общая схема эксперимента 77
3.2. Методы физического моделирования дефектов оптического
волокна 80
3.3. Физические модели участка ВОЛЛ 83
3.4. Локализация событий разного типа 83
3.5. Локализация событий с применением контроллера
поляризации 89
3.6. Оценка погрешности локализации нового события
в ОВ по результатам сравнения ПХОР 91
3.7. Выводы 95
Глава 4. Рекомендации по мониторингу оптических волокон
кабельных линий с использованием POTDR 98
4.1. Общие положения по технической эксплуатации транспортных сетей связи 98
4.2. Реализация системы мониторинга оптических волокон по
поляризационным характеристикам обратного рассеяния 100
4.3. Оценка эффективности мониторинга оптических волокон по поляризационным характеристикам
обратного рассеяния 105
4.4. Выводы ИЗ
Заключение 115
Список литературы 121
Приложение А. Акты внедрения результатов диссертационной работы 133

bibliography

Заключение
Представлен сравнительный анализ известных на сегодняшний день подходов и разработанных на их основе методов выявления различных воз¬действий на ОВ, реализованных как в коммерческих RFTS, так и лаборатор¬ных измерительных системах. Проведенный обзор позволил выделить отдель¬ную группу методов контроля состояния ОВ по поляризационным характери¬стикам, как наиболее чувствительные к изменению напряжений в ОВ. Однако, как показали результаты выполненного сравнительного анализа, возможности применения данных методов для решения поставленной задачи локализации повреждения/дефекта ОВ в оболочке на ранней стадии достаточно ограничены и требуют проведения соответствующей доработки и адаптации.
Предложен альтернативный метод для определения места положения повреждения ОВ в оболочке, который базируется на сравнении контрольной и текущей ПХОР, измеряемых в процессе мониторинга ОВ. При этом, в отличие от известных решений, алгоритм сравнения основан на построении скользя¬щего коэффициента корреляции между указанными ПХОР, распределение ко¬торого по длине ОВ представляет собой корреляционную характеристику.
Проведена экспериментальная апробация предложенного метода на раз¬работанной физической модели. Полученные результаты подтвердили воз¬можность обнаружения и локализации дефектов в оболочке ОВ на ранней ста¬дии, которые не определяются традиционной рефлектометрией.
При этом в ходе проведения экспериментальных измерений и последу¬ющей обработки результатов было выявлено следующее:
- использованный способ физического моделирования дефекта в обо¬лочке ОВ не позволяет разделить факторы, изменяющие состояние поляриза¬ции;
- при повторном подключении POTDR к ОВ через оптический разъем ПХОР, измеренные до и после повторного подключения могут быть некорел- лированы;
- если в процессе мониторинга POTDR не отключали, то на ближнем конце ПХОР коррелированы, а уже за первым от ближнего конца дефектом они некоррелированы, что объясняется локальным изменением состояния по¬ляризации на разъемном соединении, дефектах ОВ и прочих локальных собы¬тиях.
Очевидно, что, в общем случае, изменение состояния поляризации на локальном участке ОВ, содержащем событие, можно компенсировать путем включения контроллера поляризации на входе POTDR. Однако это предполо¬жение требует проведения соответствующих дополнительных исследований. При этом необходимы дальнейшие исследования оценки потенциальных воз¬можностей использования разработанного метода для выявления иных отдель¬ных событий на линии и возможности обнаружения и локализации отдельно для каждого фактора, приводящего к локальному изменению состояния поля¬ризации: например, локальной радиальной нагрузки на ОВ, изгиба волокна, механического сростка, сварного соединения.
Построена математическая модель ПХОР с локальными событиями, ос¬нованная на известном кусочно-регулярном представлении ВОЛП с учетом статистического характера вариации длины биений и длины корреляции. При этом моделировались следующие наиболее часто встречающиеся типа собы¬тий: изгиб ОВ, локальная радиальная нагрузка на ОВ и микротрещина. Для описания последней использовался подход, основанный на оценивании ради¬уса зеркальной зоны, а двулучепреломление представлено в виде суммы двух составляющих Bg— компонента, обусловленная нарушением осевой симмет¬рии профиля показателя преломления световода, и Bs — компонента, обуслов¬ленная асимметрией распределений механических напряжений в сечении све¬товода.
Это позволило разработать методику расчета двулучепреломления ОВ в зависимости от параметров микротрещины. Проведенные на ее основании расчеты показали, что результирующая величина двулучепреломления и, со¬ответственно, длина биений ступенчатого ОВ, обусловленные ростом микро¬трещины в оболочке световода, полностью определяются составляющей Bg. В частности, при уменьшении радиуса зеркальной зоны длина биений возрастает и при (гх/а) —» 0 стремится к бесконечности, что соответствует идеально круглому световоду. Однако с увеличением радиуса зеркальной зоны уже при значениях более полутора радиусов сердцевины световода значения длины би¬ений снижаются примерно на порядок и более по сравнению с типичными зна¬чениями для промышленных образцов ОВ в кабелях связи. Все это указывает на высокую чувствительность ПХОР ОВ к появлению новых локальных де¬фектов в оболочке световода волокна даже на ранней стадии их развития в процессе технической эксплуатации ВОЛП.
На основании разработанной модели проведены теоретические расчеты ПХОР ОВ без и с внесенным локальным событием с последующим сопостав¬лением контрольной и текущей ПХОР, согласно предложенному в гл. 1 ме¬тоду. Здесь участок, на котором имеет место повреждение ОВ, соответствует участку ПХОР, на котором коэффициент корреляции изменяется на величину, превышающую некоторое пороговое значение.
Анализ полученных результатов сравнения корреляционных характери¬стик модельных ПХОР ОВ без событий и с новым локальным событием пока¬зал возможность его выявления с погрешностью не более 10 м. Установлено, что локальное механическое воздействие на ОВ существенно изменяет ПХОР на участке от положения события до конца линии.
Проведено моделирование ПХОР ОВ с подключением контроллера по¬ляризации на выходе POTDR к тестируемой ВОЛП. Анализ полученных ре¬зультатов подтвердил возможность компенсации изменения состояния поля¬ризации на локальном участке ОВ, содержащем новое событие, с помощью контроллера поляризации. Благодаря включению данного устройства обеспе¬чивается получение текущих ПХОР с максимальным коэффициентом корре¬ляции на ближнем и дальнем конце линии относительно положения событий.
В результате участок линии, на котором имеет место повреждение ОВ, иден¬тифицируется как участок, на котором коэффициент корреляции изменяется на величину, превышающую некоторое пороговое значение, а расстояние до места повреждения определяется как расстояние до точки пересечения корре¬ляционных характеристик контрольной и текущих ПХОР, полученных при максимальных значениях коэффициента корреляции на ближнем и дальнем конце, соответственно.
Проведено моделирование ПХОР кусочно-регулярной ВОЛП с несколь¬кими последовательно расположенными новыми локальными событиями и подключенным на выходе POTDR контроллером поляризации. Полученные результаты продемонстрировали возможность выявления последовательно расположенных локальных событий.
Все это позволило разработать метод обнаружения последовательно рас¬положенных локальных событий, который, в отличие от известных решений, заключается в сравнении контрольной и текущих ПХОР, полученных при мак¬симальных значениях коэффициента корреляции на ближнем и дальнем конце, соответственно.
Для исследования потенциальных возможностей использования разра¬ботанного метода поляризационной рефлектометрии для выявления и локали¬зации событий разного типа проведены серии экспериментальных исследова¬ний на физических моделях ВОЛП.
На основании предварительно сформулированных критериев были раз¬работаны физические модели следующих видов событий на промышленных образцах ОВ, уложенных в бухты, длиной по 600...700 м каждая: изгиб ОВ, локальная радиальная нагрузка на ОВ, микротрещина в оболочке световода волокна. Также дополнительно исследовались типовые механические сростки и сварные соединения волоконных световодов, реализованные с помощью ти¬повых комплектов оборудования для монтажа ОВ.
Анализ полученных в результате первой серии экспериментальных из¬мерений корреляционных зависимостей показал возможность локализации от¬дельных видов событий с погрешностью не более 10 м. Последующее сопо¬ставление результатов измерений с расчетными данными, полученными на ос¬нове разработанной модели, также показало хорошее совпадение.
Полученные результаты экспериментально подтвердили чувствитель¬ность изменения ПХОР к появлению новых локальных событий вне зависимо¬сти от их вида и степени проявления. Это позволило при проведении следую¬щих серий тестов ограничиться введением локальной радиальной нагрузки на ОВ как наиболее простого, с точки зрения практической реализации, локаль¬ного события.
Далее, исходя из результатов теоретических расчетов, проведенных в гл. 2, для снижения погрешности локализации событий, при проведении следую¬щей серии измерений выход POTDR подключался к тестируемой линии через контроллер поляризации. При этом после формирования дефекта добивались совмещения исходной и текущей ПХОР сначала на ближнем конце линии, а затем - на дальнем. Анализ полученных в результате второй серии экспери¬ментальных измерений корреляционных характеристик подтвердил возмож-ность использования контроллера поляризации для компенсации локального изменения состояния поляризации на длине ОВ, а также согласование текущей ПХОР с контрольной в случае переподключения POTDR.
На третьем этапе были проведены экспериментальные исследования возможности локализации последовательно расположенных дефектов. Для этого на макете формировалось два события в виде радиальной нагрузки на расстоянии 230 м друг от друга. Измерения и последующая обработка ПХОР проводились в соответствии с разработанным методом обнаружения последо¬вательно расположенных локальных событий. Анализ полученных результа¬тов сопоставления модельных и измеренных ПХОР показал хорошее совпаде¬ние.
Далее последнем этапе были проведены экспериментальные исследова¬ния количественной оценки погрешности локализации нового события в ОВ в зависимости от длительности зондирующего импульса и длины «скользящего окна», используемого при построении корреляционной характеристики. Со¬гласно полученным результатам, погрешность локализации уменьшается вплоть до нескольких метров при вычислении корреляционной характери¬стики с использованием «скользящего окна» длиной примерно 10 и более длин зондирующего импульса.
На основании полученных в гл. 1 - 3 результатов теоретических и экс¬периментальных исследований потенциальных возможностей предложенного подхода для выявления дефектов ОВ на ранней стадии развития с помощью поляризационной рефлектометрии был разработан способ и на основании его методика определения места повреждения ОВ.
Разработаны практические рекомендации по модернизации уже инстал¬лированных на сети систем мониторинга ОК без демонтажа удаленного ком¬плекта RFTS путем включения описанного выше оптического модуля, вноси¬мое затухание которого составляет не более 2 дБ, к выходу типового OTDR и установки дополнительного соответствующего программного обеспечения.
На основании предложенного способа определения места повреждения ОВ разработана методика перевода линии в режим «Предупреждение», а также идентификации состояния линии «Предупреждение» и «Повреждение» в системах мониторинга ВОЛП.